• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

提高紫云英 (Astragalus sinicas L.) 生长和土壤养分积累的最佳稻草还田及氮肥量组合研究

冯静琪 曹卫东 高嵩涓 常单娜 周国朋 石孝均

引用本文:
Citation:

提高紫云英 (Astragalus sinicas L.) 生长和土壤养分积累的最佳稻草还田及氮肥量组合研究

    作者简介: 冯静琪 E-mail:fengjingqi15@foxmail.com;
    通讯作者: 曹卫东, E-mail:caoweidong@caas.cn ; 石孝均, E-mail:shixj@swu.edu.cn
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);中国农业科学院科技创新工程;江苏省自然科学基金项目(SBK2019042713)。

Study on the optimum combination of rice straw returning and nitrogen input to increase the growth of Chinese milk vetch (Astragalus sinicus L.) and nutrient accumulation in soil

    Corresponding author: CAO Wei-dong, E-mail:caoweidong@caas.cn ;SHI Xiao-jun, E-mail:shixj@swu.edu.cn
  • 摘要:   【目的】   研究不同用量稻草与氮肥配施对紫云英生长及土壤养分的影响,为优化紫云英高产栽培措施和解决秸秆资源化利用难题提供理论依据,进而实现紫云英-水稻轮作体系中的稻田氮肥减施和作物增产。   【方法】   设置稻草和氮肥双因素盆栽试验,3个稻草添加量 (RS) 分别为0(RS0)、3000 kg/hm2(RS1)、6000 kg/hm2(RS2),4个施氮量 (N) 分别为0(N0)、45 kg/hm2(N45)、90 kg/hm2(N90)、135(N135)kg/hm2,共12个处理。测定紫云英鲜草产量及地上部氮、磷、钾累积量,分析土壤基础理化性状、微生物量碳、可溶性有机碳含量及6种与碳、氮、磷循环相关的土壤酶 (β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶) 活性,并探讨了紫云英生长与土壤性状的关系。   【结果】   添加稻草和施用氮肥均显著提高紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量,与N0RS0处理相比,两者配施显著提高紫云英鲜草产量64.5%~323.8%;在N45、N90、N135水平下紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量均以RS2处理最高。紫云英地上部当季氮素回收率以N45RS1处理最高,与N90和N135施氮水平下各处理无显著差异。偏最小二乘法路径模型结果表明,相对稻草处理,氮肥处理对紫云英鲜草产量和养分累积量有更强的正效应。添加稻草和施用氮肥显著提高土壤酶活性,其中土壤亮氨酸氨基肽酶活性在4个施氮水平下均随稻草量的增加先上升后下降,另外5种土壤酶活性在N0、N45、N135水平下均以RS2处理最高,在N90水平下以RS1处理最高。聚合增强树分析表明,土壤速效钾含量和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性对紫云英鲜草产量的贡献程度最大,贡献率分别为52.6%和30.0%。   【结论】   适量的稻草添加并配施氮肥可以显著提高紫云英鲜草产量、养分累积量和土壤酶活性,促进紫云英养分吸收,为紫云英高产创造条件。添加稻草可显著提高紫云英养分累积量和土壤速效养分含量,施氮对紫云英地上部氮磷钾养分累积量亦有显著正影响。在本研究条件下,根据紫云英产量和养分吸收特征,并结合稻草资源化利用的目的,推荐稻草6000 kg/hm2、氮肥45~90 kg/hm2为较适宜的施肥配比,具体施氮量可根据当地土壤肥力调整。
  • 图 1  不同处理紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量

    Figure 1.  Fresh biomass and shoot NPK accumulations of Chinese milk vetch under different treatments

    图 2  不同处理紫云英地上部当季氮素回收率

    Figure 2.  Seasonal recovery efficiency of nitrogen of Chinese milk vetch shoot in different treatments

    图 3  不同处理土壤胞外酶活性

    Figure 3.  Extracellular enzyme activities of soils under different treatments

    图 4  不同土壤理化性质对紫云英鲜草产量的贡献率

    Figure 4.  Contribution rate of different soil physical properties on Chinese milk vetch fresh biomass

    图 5  土壤理化性质与紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量的相互作用

    Figure 5.  Interactions between soil properties and Chinese milk vetch fresh biomass and shoot nitrogen, phosphorus, potassium accumulations

    表 1  各处理来自稻草和肥料的碳、氮量及C/N比

    Table 1.  Carbon and nitrogen amount from rice straw and fertilizer and the C/N ratio in each treatment

    处理
    Treatment
    稻草碳
    Straw C
    (g/pot)
    稻草氮
    Straw N
    (g/pot)
    肥料氮
    Fertilizer N
    (g/pot)
    C/N
    N0RS0000
    RS14.270.07057
    RS28.530.15057
    N45RS0000.160
    RS14.270.070.1618
    RS28.530.150.1628
    N90RS0000.320
    RS14.270.070.3211
    RS28.530.150.3218
    N135RS0000.480
    RS14.270.070.488
    RS28.530.150.4814
    注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2 The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; N0~N135 代表氮施用量 N 0、45、90 和 135 kg/hm2 The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2.
    下载: 导出CSV

    表 2  不同处理下土壤基础肥力性状

    Table 2.  Soil basic properties under different treatments

    处理
    Treatment
    pH全氮 (g/kg)
    Total N
    矿质氮 (mg/kg)
    Nmin
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    N0 RS05.05 ± 0.03 aA1.16 ± 0.01 aB3.34 ± 0.13 bA20.97 ± 0.27 aA142.53 ± 2.03 bA
    RS1 4.97 ± 0.03 ab1.14 ± 0.01 a3.35 ± 0.09 b15.90 ± 0.23 b137.68 ± 1.42 b
    RS24.87 ± 0.03 b1.17 ± 0.01 a4.50 ± 0.12 a19.93 ± 0.58 a175.98 ± 3.23 a
    N45RS04.97 ± 0.04 aAB 1.18 ± 0.01 abA3.13 ± 0.09 bA17.90 ± 0.81 aB129.10 ± 2.81 bB
    RS1 4.92 ± 0.03 ab1.16 ± 0.02 b4.03 ± 0.27 a16.50 ± 0.40 a123.23 ± 2.04 b
    RS24.86 ± 0.03 b1.21 ± 0.01 a4.05 ± 0.09 a16.87 ± 0.70 a159.95 ± 3.29 a
    N90RS04.94 ± 0.03 aB1.19 ± 0.01 aAB3.64 ± 0.10 bA15.70 ± 0.43 bB120.17 ± 2.73 aC
    RS14.84 ± 0.03 a1.14 ± 0.01 b 4.02 ± 0.17 ab 17.08 ± 0.11 ab122.58 ± 4.02 a
    RS24.90 ± 0.05 a1.19 ± 0.01 a4.28 ± 0.35 a17.50 ± 0.25 a113.67 ± 3.97 a
    N135RS04.97 ± 0.04 aB1.19 ± 0.01 aA3.51 ± 0.05 aB14.80 ± 0.29 bC111.52 ± 1.35 aD
    RS14.82 ± 0.04 b1.19 ± 0.02 a2.74 ± 0.11 b 15.90 ± 0.24 ab110.26 ± 1.98 a
    RS24.84 ± 0.02 b1.18 ± 0.01 a3.23 ± 0.11 a16.93 ± 0.60 a110.80 ± 5.33 a
    双因素方差分析Two-ANOVA analysis
    RS12.9*** 6.53**15.38*** 9.74***33.01***
    N 3.39*3.99*13.54***21.64***105.01***
    RS×N1.301.99 6.96***10.87***17.65***
    注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2; N0~N135 代表 N 施用量 0、45、90 和 135 kg/hm2。同列数据后不同小写字母表示稻草处理间差异显著 (n = 4, P < 0.05), 不同大写字母表示每组平均值在氮肥处理间差异显著 (n = 12, P < 0.05)。The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among straw treatments at the same group (n = 4, P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences among the group averages of nitrogen treatments (n = 12, P < 0.05); *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
    下载: 导出CSV

    表 3  不同处理下土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量

    Table 3.  Soil DOCand MBC contents under different treatments

    处理Treatment微生物量碳MBC (mg/kg)可溶性有机碳DOC (mg/kg)
    N0 RS0674.43 ± 21.60 bA44.03 ± 1.13 aA
    RS11084.25 ± 82.03 a 35.89 ± 1.74 b
    RS2727.75 ± 72.74 b35.43 ± 0.83 b
    N45RS0642.67 ± 37.15 bA39.24 ± 1.91 aB
    RS1923.07 ± 49.01 a33.10 ± 0.49 b
    RS2869.66 ± 76.27 a 35.99 ± 0.86 ab
    N90RS0744.72 ± 38.29 bA38.10 ± 0.39 aB
    RS1939.62 ± 61.64 a34.43 ± 1.26 b
    RS2 776.16 ± 69.59 ab34.56 ± 0.52 b
    N135RS0726.57 ± 50.51 bA34.21 ± 1.34 aB
    RS11189.73 ± 87.60 a 33.16 ± 0.51 a
    RS2751.64 ± 5.85 b35.84 ± 1.88 a
    双因素方差分析Two-ANOVA analysis
    RS0.6018.27***
    N0.146.48**
    RS×N0.143.77**
    注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2; N0~N135 代表 N 施用量 0、45、90 和 135 kg/hm2。同组同列数值后不同小写字母表示稻草处理间差异显著 (n = 4, P < 0.05); 不同大写字母表示每组平均值在不同氮肥处理间差异显著 (n = 12, P < 0.05)。The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among straw treatments at the same group (n = 4, P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences among the group averages of nitrogen treatments (n = 12, P < 0.05). MBC—Microbial biomass carbon; DOC—Dissolved organic carbon. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
    下载: 导出CSV
  • [1] 曹卫东, 包兴国, 徐昌旭, 等. 中国绿肥科研60年回顾与未来展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(6): 1450–1461. Cao W D, Bao X G, Xu C X, et al. Reviews and prospects on science and technology of green manure in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2017, 23(6): 1450–1461. doi:  10.11674/zwyf.17291
    [2] 曹卫东, 黄鸿翔. 关于我国恢复和发展绿肥若干问题的思考[J]. 中国土壤与肥料, 2009, (4): 1–3. Cao W D, Huang H X. Ideas on restoration and development of green manure in China[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009, (4): 1–3. doi:  10.3969/j.issn.1673-6257.2009.04.001
    [3] 焦彬. 中国绿肥[M]. 北京: 中国农业出版社, 1986.

    Jiao B. Green manures in China[M]. Beijing: Agriculture Press, 1986.
    [4] Crews T E, Peoples M B. Legume versus fertilizer sources of nitrogen: ecological tradeoffs and human needs[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2004, 102(3): 279–297.
    [5] Voisin A S, Guéguen J, Huyghe C, et al. Legumes for feed, food, biomaterials and bioenergy in Europe: a review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2014, 34(2): 361–380. doi:  10.1007/s13593-013-0189-y
    [6] Kim M K, Lee Y H, Kang T H, et al. Influence of Chinese Milk vetch (Astragalus sinicus, L.) with no-tillage on soil biotic factors and rice yield[J]. Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry, 2011, 54(6): 899–909. doi:  10.1007/BF03253178
    [7] 黄晶, 高菊生, 刘淑军, 等. 冬种紫云英对水稻产量及其养分吸收的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2013, (1): 88–92. Huang J, Gao J S, Liu S J, et al. Effect of Chinese milk vetch in winter on rice yield and its nutrient uptake[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2013, (1): 88–92.
    [8] Lee C H, Park K D, Jung K Y, et al. Effect of Chinese milk vetch (Astragalus sinicus L.) as a green manure on rice productivity and methane emission in paddy soil[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2010, 138(3): 343–347.
    [9] Wang Y F, Liu X M, Butterly C, et al. pH change, carbon and nitrogen mineralization in paddy soils as affected by Chinese milk vetch addition and soil water regime[J]. Journal of Soils & Sediments, 2013, (4): 654–663.
    [10] 高菊生, 曹卫东, 李冬初, 等. 长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响[J]. 生态学报, 2011, 31(16): 4542–4548. Gao J S, Cao W D, Li D C, et al. Effects of long-term double-rice and green manure rotation on rice yield and soil organic matter in paddy field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(16): 4542–4548.
    [11] 万水霞, 朱宏斌, 唐杉, 等. 紫云英与化肥配施对安徽沿江双季稻区土壤生物学特性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(2): 389–397. Wan S X, Zhu H B, Tang S, et al. Effects of Astragalus sinicus manure and fertilizer combined application on biological properties of soil in Anhui double cropping rice areas along the Yangtze River[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2015, 21(2): 389–397.
    [12] `中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2018.

    Statistics Bureau of the People’s Republic of China. China statistical yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 2018.
    [13] 罗文丽, 周柳强, 谭宏伟, 李伏生. 水稻秸秆腐解规律及养分释放特征[J]. 南方农业学报, 2014, 45(05): 808–812. Luo W L, Zhou L Q, Tan H W, Li F S. Decomposition patterns and nutrient release characteristics of rice straw[J]. Journal of Southern Agriculture, 2014, 45(05): 808–812. doi:  10.3969/j:issn.2095-1191.2014.5.808
    [14] Singh G, Jalota S K, Singh Y. Manuring and residue management effects on physical properties of a soil under the rice-wheat system in Punjab, India[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 94(1): 229–238.
    [15] Mary B, Recous S, Darwis D, et al. Interactions between decomposition of plant residues and nitrogen cycling in soil[J]. Plant and Soil, 1996, 181(1): 71–82. doi:  10.1007/BF00011294
    [16] Ntanos D A, Koutroubas S D. Dry matter and N accumulation and translocation for Indica and Japonica rice under Mediterranean conditions[J]. Field Crops Research, 2002, 74(1): 93–101. doi:  10.1016/S0378-4290(01)00203-9
    [17] Yang L, Zhang L, Yu C, et al. Nitrogen fertilizer and straw applications affect uptake of 13C, 15N-glycine by soil microorganisms in wheat growth stages[J]. PLoS One, 2017, 12(1): e0169016. doi:  10.1371/journal.pone.0169016
    [18] Schwendener C M, Lehmann J, de Camargo P B, et al. Nitrogen transfer between high- and low-quality leaves on a nutrient-poor Oxisol determined by 15N enrichment[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(4): 787–794. doi:  10.1016/j.soilbio.2004.10.011
    [19] 叶静, 邹平, 张贤, 等. 不同施肥方式对红壤生地紫云英产量及养分累积的影响[J]. 浙江农业科学, 2019, 60(11): 2121–2123. Ye J, Zou P, Zhang X, et al. Effects of different fertilization methods on yield and nutrient accumulation of mirabilis in red soil[J]. Zhejiang Agricultural Sciences, 2019, 60(11): 2121–2123.
    [20] Yang L, Zhou X, Liao Y, et al. Co-incorporation of rice straw and green manure benefits rice yield and nutrient uptake[J]. Crop Science, 2019, 59(2): 749–759. doi:  10.2135/cropsci2018.07.0427
    [21] 鲍士旦. 土壤农化分析(第三版)[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.

    Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis(Third Edition)[M]. Beijing: Agricultural Press, 1981.
    [22] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1987, 19(6): 703–707.
    [23] Saiya-Cork K R, Sinsabaugh R L, Zak D R. The effects of long-term nitrogen deposition on extracellular enzyme activity in an Acer saccharum forest soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2002, 34(9): 0–1315.
    [24] DeForest J. The influence of time, storage temperature, and substrate age on potential soil enzyme activity in acidic forest soils using MUB-linked substrates and L-DOPA[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(6): 1180–1186. doi:  10.1016/j.soilbio.2009.02.029
    [25] Sanchez G. PLS Path Modeling with R[M]. Trowchez Editions, Berkeley, 2013.
    [26] Sanchez G, Trinchera L. PLSPM: Partial least squares data analysis methods(R package version 0.2-2)[DB/OL]. 2012, http://cran.r–project.org/package=plspm.
    [27] De'Ath G. Boosted trees for ecological modeling and prediction[J]. Ecology, 2007, 88(1): 243–251. doi:  10.1890/0012-9658(2007)88[243:BTFEMA]2.0.CO;2
    [28] Dilz K. Efficiency of uptake and utilization of fertilizer nitrogen by plants [A]. Jenkinson D S, Smith K A. Nitrogen efficiency in agricultural soils[C]. London: Elsevier Applied Science, 1988.
    [29] 杨园园, 高志岭, 王雪君. 有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体排放的影响[J]. 应用生态学报, 2016, 27(3): 822–828. Yang Y Y, Gao Z L, Wang X J. Impacts of organic and inorganic fertilizations on yield, soil greenhouse gas emissions[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(3): 822–828.
    [30] 宋秀丽, 王冰雪, 陆杰, 等. 化肥与秸秆配施对大豆生长及产量的影响[J]. 黑龙江农业科学, 2015, (7): 35–39. Song X L, Wang B X, Lu J, et al. Effects of combined application of chemical fertilizer and straw on soybean growth and yield[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2015, (7): 35–39.
    [31] Kumar K, Goh K M. Management practices of antecedent leguminous and non-leguminous crop residues in relation to winter wheat yields, nitrogen uptake, soil nitrogen mineralization and simple nitrogen balance[J]. European Journal of Agronomy, 2002, 16(4): 295–308. doi:  10.1016/S1161-0301(01)00133-2
    [32] Conde E, Cardenas M, Ponce-Mendoza A, et al. The impacts of inorganic nitrogen application on mineralization of 14C-labelled maize and glucose, and on priming effect in saline alkaline soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(4): 681–691. doi:  10.1016/j.soilbio.2004.08.026
    [33] Bhupinderpal-Singh, Rengel Z. The role of crop residues in improving soil fertility [A]. Marschner P, Rengel Z. Nutrient cycling in terrestrial ecosystems[M]. Springer, 2007: 183–214.
    [34] Novoa R, Loomis R S. Nitrogen and plant production[J]. Plant and Soil, 1981, 58(1): 177–204.
    [35] 曾庆利, 龚春华, 徐永士, 等. 紫云英不同翻压量对水稻产量和产值的影响[J]. 湖南农业科学, 2009, (06): 76–77, 88. Zeng Q L, Gong C H, Xu Y S, et al. Effect of different amount of Chinese milk vetch on the yield and profit of rice[J]. Hunan Agricultural Science, 2009, (06): 76–77, 88. doi:  10.3969/j.issn.1006-060X.2009.06.025
    [36] 劳秀荣, 孙伟红, 王真, 等. 秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响[J]. 土壤学报, 2003, 40(4): 618–623. Lao X R, Sun W H, Wang Z et al. Effect of mulching use of straw and chemical fertilizer on soil fertility[J]. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(4): 618–623. doi:  10.3321/j.issn:0564-3929.2003.04.020
    [37] Xie W J, Wu L F, Zhang Y P, Wu T, Li X P, Ouyang Z. Effects of straw application on coastal saline topsoil salinity and wheat yield trend[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 169: 1–6. doi:  10.1016/j.still.2017.01.007
    [38] 成臣, 汪建军, 程慧煌, 等. 秸秆还田与耕作方式对双季稻产量及土壤肥力质量的影响[J]. 土壤学报, 2018, 55(1): 247–257. Cheng C, Wang J J, Cheng H H, et al. Effects of straw returning and tillage system on crop yield and soil fertility quality in paddy field under double-cropping-rice system[J]. Acta Pedologica Sinica, 2018, 55(1): 247–257. doi:  10.11766/trxb201707090275
    [39] 吴立鹏, 张士荣, 娄金华, 等. 秸秆还田与优化施氮对稻田土壤碳氮含量及产量的影响[J]. 华北农学报, 2019, 34(4): 158–166. Wu L P, Zhang S R, Lou J H, et al. Effects of straw returning and nitrogen fertilizer on soil C and N content and yield of rice[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2019, 34(4): 158–166. doi:  10.7668/hbnxb.201751345
    [40] 戴志刚, 鲁剑巍, 李小坤, 等. 不同作物还田秸秆的养分释放特征试验[J]. 农业工程学报, 2010, 26(6): 272–276. Dai Z G, Lu J W, Li X K, et al. Nutrient release characteristic of different crop straws manure[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 272–276. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.047
    [41] 宋长青, 吴金水, 陆雅海, 等. 中国土壤微生物学研究10年回顾[J]. 地球科学进展, 2013, 28(10): 1087–1105. Song C Q, Wu J S, Lu Y H, et al. Advances of soil microbiology in the last decade in China[J]. Advances in Earth Science, 2013, 28(10): 1087–1105. doi:  10.11867/j.issn.1001-8166.2013.10.1087
    [42] Jenkinson D S. Determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil[A]. Wilson J R. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems[C]. Walling ford: Common wealth Agricultural Bureau International, 1988, 368–386.
    [43] 王军, 丁效东, 张士荣, 等. 不同碳氮比有机肥对沙泥田烤烟根际土壤碳氮转化及酶活性的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1280–1286. Wang J, Ding X D, Zhang S R, et al. The effect of organic fertilizers of different w(C)/w(N) on soil C, N transformation and soil enzyme activities in rhizosphere of flue-cured tobacco[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1280–1286.
    [44] 孙瑞莲, 赵秉强, 朱鲁生, 等. 长期定位施肥对土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用[J]. 植物营养与肥料学报, 2003, (4): 406–410. Sun R L, Zhao B Q, Zhu L S, et al. Effects of long-term fertilization on soil enzyme activities and its role in adjusting-controlling soil fertility[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2003, (4): 406–410. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2003.04.005
    [45] Sinsabaugh R L, Lauber C L, Weintraub M N, et al. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale[J]. Ecology Letters, 2008, 11(11): 1252–1264. doi:  10.1111/j.1461-0248.2008.01245.x
    [46] Caldwell B A. Enzyme activities as a component of soil biodiversity: A review[J]. Pedobiologia, 2005, 49(6): 0–644.
    [47] Zhao S C, Li K J, Zhou W, et al. Changes in soil microbial community, enzyme activities and organic matter fractions under long-term straw return in north-central China[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 216: 82–88.
    [48] 高金虎, 孙占祥, 冯良山, 吴昌娟. 秸秆与氮肥配施对辽西旱区土壤酶活性与土壤养分的影响[J]. 生态环境学报, 2012, 21(4): 677–681. Gao J H, Sun Z X, Feng L S, Wu C J. Effects of corn straws plus nitrogen fertilizer on the soil nutrients and enzymatic activities in the arid area of Eastern Liaoning province[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2012, 21(4): 677–681. doi:  10.3969/j.issn.1674-5906.2012.04.015
    [49] 何翠翠. 长期不同施肥措施对黑土土壤碳库及其酶活性的影响研究[D]. 北京: 中国农业科学院硕士学位论文, 2014.

    He C C. Effects of long-term fertilization on soil carbon pools and enzymes activity of black soil in cropland of northeast China[D]. Beijing: MS Thesis of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014.
    [50] 矫丽娜, 李志洪, 殷程程, 等. 高量秸秆不同深度还田对黑土有机质组成和酶活性的影响[J]. 土壤学报, 2015, 52(3): 665–672. Jiao L N, Li Z H, Yin C C, et al. Effect of incorporation of crop straw on composition of soil organic matter and enzyme activity in black soil relative to depth and rate of the incorporation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 665–672.
    [51] 殷陶刚, 窦向丽, 刘晶婧, 李玉泽. 兰州新区不同土地利用类型对土壤有机质和养分及酶活性的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2019, (6): 32–37. Yin T G, Dou X L, Liu J J, Li Y Z. Effects of different land use types on soil organic matter and nutrients and soil enzyme activities in Lanzhou new district[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2019, (6): 32–37.
    [52] 黄容, 高明, 万毅林, 等. 秸秆还田与化肥减量配施对稻–菜轮作下土壤养分及酶活性的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(11): 4446–4456. Huang R, Gao M, Wan Y L, et al. Effects of straw in combination with reducing fertilization rate on soil nutrients and enzyme activity in the paddy-vegetable rotation soils[J]. Environmental Science, 2016, 37(11): 4446–4456.
    [53] 赵晶, 孟庆峰, 周连仁, 等. 长期施用有机肥对草甸碱土土壤酶活性及养分特征的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2014, (2): 23–26, 34. Zhao J, Meng Q F, Zhou L R, et al. Effect on soil enzyme activity and nutrient content in meadow alkali soil at long-term application of organic manure[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2014, (2): 23–26, 34. doi:  10.11838/sfsc.20140205
    [54] Wei L, Hao H L, Wu W, et al. Transgenic Bt rice does not affect enzyme activities and microbial composition in the rhizosphere during crop development[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40(2): 475–486.
    [55] 莫晶, 闫文德, 刘曙光, 吴小红. 油茶–花生间作土壤酶活性与养分的关系[J]. 中南林业科技大学学报, 2017, 37(6): 89–95. Mo J, Yan W D, Liu S G, Wu X H. Soil enzyme activities and their relations with soil fertility in Camellia oleifera peanut intercropping[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2017, 37(6): 89–95.
    [56] Dai X, Zhou W, Liu G, et al. Soil C/N and pH together as a comprehensive indicator for evaluating the effects of organic substitution management in subtropical paddy fields after application of high-quality amendments[J]. Geoderma, 2019, 337: 1116–1125. doi:  10.1016/j.geoderma.2018.11.023
    [57] Bowles T M, Acosta-Martínez, Veronica, Calderón, Francisco, et al. Soil enzyme activities, microbial communities, and carbon and nitrogen availability in organic agroecosystems across an intensively-managed agricultural landscape[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 68: 252–262. doi:  10.1016/j.soilbio.2013.10.004
  • [1] 郑春风刘春增李本银吕玉虎潘兹亮曹卫东 . 叶面喷施多效唑对紫云英种子产量及结实特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18480
    [2] 高菊生黄晶杨志长曹卫东张会民高鹏高学成 . 绿肥和稻草联合还田提高土壤有机质含量并稳定氮素供应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.19159
    [3] 刘颖颖卜容燕唐杉韩上王慧李敏程文龙李晓韦武际朱林 . 连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.19353
    [4] 李增强张贤王建红曹凯徐昌旭曹卫东 . 化肥减施对紫云英还田土壤活性有机碳和碳转化酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18121
    [5] 聂江文王幼娟田媛彭传华王欢刘章勇朱波 . 紫云英与化学氮肥配施对双季稻田CH4与N2O排放的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17398
    [6] 袁晶晶同延安卢绍辉袁国军 . 生物炭与氮肥配施对土壤肥力及红枣产量、品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16285
    [7] 李鹏程郑苍松孙淼刘绍东张思平王国平李亚兵陈静赵新华董合林 . 利用15N示踪研究不同肥力土壤棉花氮肥减施的产量与环境效应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16365
    [8] 鲁艳红廖育林聂军周兴谢坚杨曾平 . 紫云英与尿素或控释尿素配施对双季稻产量及氮钾利用率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16381
    [9] 万水霞朱宏斌唐杉郭熙盛王允青 . 紫云英与化肥配施对安徽沿江双季稻区土壤生物学特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0213
    [10] 王飞林诚林新坚何春梅李清华李昱黄功标钟少杰 . 连续翻压紫云英对福建单季稻产量与化肥氮素吸收、分配及残留的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0411
    [11] 颜志雷方宇陈济琛王飞何春梅林新坚 . 连年翻压紫云英对稻田土壤养分和微生物学特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0511
    [12] 王建红曹凯张贤 . 紫云英翻压量对单季晚稻养分吸收和产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0117
    [13] 周春火潘晓华吴建富石庆华 . 不同复种方式对水稻产量和土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0205
    [14] 郑伟何萍高强沙之敏金继运 . 施氮对不同土壤肥力下玉米氮素吸收和利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0071
    [15] 吴建富潘晓华石庆华刘宗发胡金和 . 不同耕作方式对水稻产量和土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0314
    [16] 马俊永李科江曹彩云郑春莲 . 有机-无机肥长期配施对潮土土壤肥力和作物产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0209
    [17] 刘恩科赵秉强胡昌浩李秀英李燕婷 . 长期施氮、磷、钾化肥对玉米产量及土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0505
    [18] 高明张磊魏朝富谢德体 . 稻田长期垄作免耕对水稻产量及土壤肥力的影响研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0402
    [19] 张电学韩志卿王介元陈洪斌 . 燕山山麓平原高产粮区长期施肥对作物产量和土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0304
    [20] 林葆林继雄李家康 . 长期施肥的作物产量和土壤肥力变化. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1994.0102
  • 加载中
WeChat 点击查看大图
图(5)表(3)
计量
  • 文章访问数:  36
  • HTML全文浏览量:  32
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-05

提高紫云英 (Astragalus sinicas L.) 生长和土壤养分积累的最佳稻草还田及氮肥量组合研究

    作者简介:冯静琪 E-mail:fengjingqi15@foxmail.com
    通讯作者: 曹卫东, caoweidong@caas.cn
    通讯作者: 石孝均, shixj@swu.edu.cn
  • 1. 西南大学资源环境学院,重庆 400716
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 3. 南京农业大学资源与环境科学学院,江苏南京 210095
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);中国农业科学院科技创新工程;江苏省自然科学基金项目(SBK2019042713)。
  • 摘要:    【目的】   研究不同用量稻草与氮肥配施对紫云英生长及土壤养分的影响,为优化紫云英高产栽培措施和解决秸秆资源化利用难题提供理论依据,进而实现紫云英-水稻轮作体系中的稻田氮肥减施和作物增产。   【方法】   设置稻草和氮肥双因素盆栽试验,3个稻草添加量 (RS) 分别为0(RS0)、3000 kg/hm2(RS1)、6000 kg/hm2(RS2),4个施氮量 (N) 分别为0(N0)、45 kg/hm2(N45)、90 kg/hm2(N90)、135(N135)kg/hm2,共12个处理。测定紫云英鲜草产量及地上部氮、磷、钾累积量,分析土壤基础理化性状、微生物量碳、可溶性有机碳含量及6种与碳、氮、磷循环相关的土壤酶 (β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶) 活性,并探讨了紫云英生长与土壤性状的关系。   【结果】   添加稻草和施用氮肥均显著提高紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量,与N0RS0处理相比,两者配施显著提高紫云英鲜草产量64.5%~323.8%;在N45、N90、N135水平下紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量均以RS2处理最高。紫云英地上部当季氮素回收率以N45RS1处理最高,与N90和N135施氮水平下各处理无显著差异。偏最小二乘法路径模型结果表明,相对稻草处理,氮肥处理对紫云英鲜草产量和养分累积量有更强的正效应。添加稻草和施用氮肥显著提高土壤酶活性,其中土壤亮氨酸氨基肽酶活性在4个施氮水平下均随稻草量的增加先上升后下降,另外5种土壤酶活性在N0、N45、N135水平下均以RS2处理最高,在N90水平下以RS1处理最高。聚合增强树分析表明,土壤速效钾含量和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性对紫云英鲜草产量的贡献程度最大,贡献率分别为52.6%和30.0%。   【结论】   适量的稻草添加并配施氮肥可以显著提高紫云英鲜草产量、养分累积量和土壤酶活性,促进紫云英养分吸收,为紫云英高产创造条件。添加稻草可显著提高紫云英养分累积量和土壤速效养分含量,施氮对紫云英地上部氮磷钾养分累积量亦有显著正影响。在本研究条件下,根据紫云英产量和养分吸收特征,并结合稻草资源化利用的目的,推荐稻草6000 kg/hm2、氮肥45~90 kg/hm2为较适宜的施肥配比,具体施氮量可根据当地土壤肥力调整。

    English Abstract

    • 绿肥作为我国传统农业的精华,是重要的养分供应和土壤培肥方式,是绿色农业的有效技术支撑,在作物高产稳产和建立良好农业生态环境方面发挥着极其重要的作用[1-2]。种植翻压豆科绿肥是实现减氮和“小肥换大肥”[3]的重要措施。紫云英 (Astragalus sinicas L.) 是我国南方稻田的主要绿肥作物之一,冬闲田种植紫云英,能够充分利用光、水、热等资源,同时通过生物固氮向农田生态系统输入氮素[4-5],翌年鲜草翻压还田后可快速释放养分提供给后茬作物。众多研究表明,紫云英做冬绿肥可增加后茬水稻产量,并替代部分化肥、减少化肥用量[6-8],降低土壤容重,培肥地力[9-10],提高土壤微生物和酶活性,改善土壤生物性状[6,11]

      水稻是我国重要的粮食作物,种植面积约4.6亿亩,稻谷产量约2.1亿吨[12],同时也产生了大量的稻草需要处理。传统的秸秆焚烧方式不但浪费资源,而且加重大气污染,破坏土壤生态环境。秸秆还田可以释放大量的养分[13],增加土壤有机碳含量,降低土壤容重,提高土壤团聚体稳定性,改善土壤保水性及渗透性,为作物提供良好的生长环境[14]。秸秆还田也是稻田生态系统固碳减排的有效措施[8]。但秸秆碳氮比较大,分解速率慢,还田后在短期内会出现微生物与作物争氮的现象,进而影响作物前期的氮素吸收及生长发育[15-17]。在稻草还田中,适量添加氮肥可以调节投入物料的碳氮比,促进还田稻草的腐解,使稻草中的养分得以充分利用,促进作物吸收利用[18]。因此,在秸秆还田的同时,合理的氮肥调控很有必要。

      紫云英高产栽培措施是紫云英-水稻轮作系统中的重要环节。添加有机物料有利于紫云英的生长[19],提高鲜草产量及养分吸收量,为后茬作物提供更多有效养分。杨璐等 [20]研究发现稻草还田能显著提高紫云英鲜草产量,稻草还田与化肥配施对紫云英的增产幅度大于稻草单独还田。但如何发挥稻草与氮肥配施的协同效应,更好地促进紫云英生长,目前尚未有可靠的数据支撑。本研究通过控制条件下的盆栽试验,研究稻草和氮肥不同配比对紫云英鲜草产量和土壤性状的影响,为优化紫云英-水稻轮作体系中紫云英高产栽培措施,解决稻草资源化利用难题,进而为稻田氮肥减施、作物增产增效和农田生态环境可持续发展提供理论依据。

      • 设置盆栽试验,于2018年10月至2019年4月在安徽省合肥市 (安徽省农业科学院网室) 进行。供试土壤采自安徽省舒城县的0—20 cm稻田耕层土,经风干、混匀后,过5 mm筛备用,其基本理化性状:pH值为5.50,有机质和全氮分别为17.10和1.16 g/kg,土壤矿质氮、有效磷、速效钾分别为3.58、20.97和142.53 mg/kg。

        设置稻草和氮肥两个因素。其中稻草添加量3个水平为0、3000、6000 kg/hm2(RS0、RS1、RS2),RS1和RS2为当地稻草半量和全量还田;设4个氮肥用量水平为N 0、45、90、135 kg/hm2(N0、N45、N90、N135),共12个处理。不同处理外源添加物料碳、氮量及C/N比见表1。每个处理设4个重复,完全随机排列。紫云英品种为弋江籽,氮肥为尿素 (含N 46%),磷肥为过磷酸钙 (含P2O5 12%),钾肥为氯化钾 (含 K2O 60%)。每盆装风干土8 kg,将剪碎至2~4 cm的稻草同化肥一起拌入土壤装盆,所有处理基施相同量的磷 (P2O5)、钾肥 (K2O) 0.06 g/kg干土,相当于P2O5 90 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。于2018年10月29日播种紫云英。

        表 1  各处理来自稻草和肥料的碳、氮量及C/N比

        Table 1.  Carbon and nitrogen amount from rice straw and fertilizer and the C/N ratio in each treatment

        处理
        Treatment
        稻草碳
        Straw C
        (g/pot)
        稻草氮
        Straw N
        (g/pot)
        肥料氮
        Fertilizer N
        (g/pot)
        C/N
        N0RS0000
        RS14.270.07057
        RS28.530.15057
        N45RS0000.160
        RS14.270.070.1618
        RS28.530.150.1628
        N90RS0000.320
        RS14.270.070.3211
        RS28.530.150.3218
        N135RS0000.480
        RS14.270.070.488
        RS28.530.150.4814
        注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2 The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; N0~N135 代表氮施用量 N 0、45、90 和 135 kg/hm2 The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2.
      • 于紫云英盛花期 (2019年4月14日) 采集土壤和植株样品。地上部植株全盆收获测定鲜草产量后于105℃杀青30 min,70℃烘干至恒重,称重、粉碎备用。植株样品采用浓硫酸-过氧化氢法消煮后,用凯氏定氮法测定全氮,钒钼黄比色法测定全磷,火焰光度计法测定全钾[21]

        地上部植物样品采集后,挑出土壤中根系,将整盆土壤混匀,四分法取样,一部分4℃保存,测定土壤无机氮 (Nmin)、可溶性有机碳 (DOC) 和微生物量碳 (MBC) 含量,一部分–80℃保存,测定土壤酶活性,剩余土样自然风干、磨细过筛后用于其他土壤理化性状的测定。具体测试方法为:Nmin采用 2 mol/L氯化钾浸提—连续流动分析仪 (AA3,SEAL,德国) 测定;DOC采用超纯水按5∶1水土比震荡、离心,上清液过0.45 μm滤膜后,用TOC分析仪 (Multi N/ C2100,德国) 测定;MBC采用氯仿熏蒸—硫酸钾浸提法,用TOC分析仪测定[22];全氮采用凯氏定氮法测定[21];土壤pH值采用2.5∶1水土比,电位法测定[21];土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠提取—钼锑钪比色法测定[21];土壤速效钾采用1 mol/L醋酸铵浸提—原子吸收法测定[21]。参与土壤碳、氮和磷循环的6种胞外酶[碳水化合物分解酶类 (土壤β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶),有机氮分解酶类 (亮氨酸氨基肽酶),有机磷分解酶类 (磷酸酶)]活性采用荧光微型板酶检测技术分析,微型板荧光计 (Scientific Fluoroskan Ascent FL,Thermo,美国) 测定。该方法的原理是不同酶的标准底物被水解后,产生4-甲基伞形酮 (4-methylumbelliferyl) 或7-氨基-4-甲基香豆素 (7-amino-4-methylcoumarin),用其荧光值的强度来表征土壤胞外酶活性[23-24]

      • 地上部氮素回收率=(外源添加氮处理地上部氮素累积量-外源不添加氮处理地上部氮素累积量)/外源添加氮量 × 100% [28]

        不同处理对土壤理化性质,紫云英鲜草产量和氮磷钾养分积累量的影响采用SAS8.1进行方差分析,用LSD法在P < 0.05水平下进行多重比较。偏最小二乘法路径模型 (PLS-PM) 是一种研究观测变量和潜在变量之间复杂多元关系的统计方法[25],应用R 3.6.1中的“plspm”包[26],以稻草处理、氮肥处理、土壤胞外酶活性、可溶性有机碳、微生物量碳、全氮、速效养分含量、紫云英地上部养分累积量、鲜草产量为潜在变量构建模型,研究施氮和添加稻草两种处理对土壤性状的影响,及其通过影响土壤性状进而对紫云英鲜草产量和养分累积量产生的影响。聚合增强树分析 (ABT) 是一种对研究变量中的不同因子进行准确的预测和解释的统计方法[27],应用R 2.7中的“gbmplus”包,研究不同土壤养分指标对紫云英鲜草产量的影响,明确不同土壤性状间的差异。

      • 与N0相比,施用氮肥显著提高紫云英鲜草产量,其中N45、N90、N135处理的鲜草产量分别增加了49.9%、88.2%、133.6%。同一施氮水平下,添加稻草均不同程度提高紫云英鲜草产量,其中N0水平添加稻草紫云英鲜草产量增幅最大,与RS0相比,RS1和RS2处理紫云英鲜草产量分别增加61.5%和39.2%。所有处理中紫云英鲜草产量以N135+RS2处理最高,为423.8 g/pot (图1)。

        图  1  不同处理紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量

        Figure 1.  Fresh biomass and shoot NPK accumulations of Chinese milk vetch under different treatments

        与紫云英鲜草产量相似,紫云英地上部氮、磷、钾累积量均随稻草添加量和施氮量的增加而增加。与N0相比,N45、N90、N135处理氮素累积量分别增加31.4%、72.9%、127.2%,磷素累积量分别增加21.7%、46.0%、60.7%,钾素累积量分别增加45.1%、80.7%、113.2%。同一施氮水平下,与RS0相比,氮素累积量以N0+RS2处理增幅最大,增加了41.1%;磷素累积量以N135+RS2处理增幅最大,增加了33.5%;钾素累积量以N135+RS2处理增幅最大,增加了39.9%。所有处理中紫云英地上部氮、磷、钾累积量均以N135+RS2处理最高 (图1)。

        双因素方差分析结果表明,除稻草对磷素累积量的影响之外 (P = 0.052),添加稻草和施用氮肥对紫云英鲜草产量及氮磷钾累积量均有显著影响 (P < 0.05),而两者交互作用仅对紫云英鲜草产量的影响达显著性水平 (P < 0.05;图1)。

        紫云英地上部当季氮素回收率在不同施氮水平间无显著差异,其中N45施氮水平下,RS1处理的回收率显著高于其他处理,N90和N135施氮水平下,不同稻草添加量之间无显著差异 (图2)。

        图  2  不同处理紫云英地上部当季氮素回收率

        Figure 2.  Seasonal recovery efficiency of nitrogen of Chinese milk vetch shoot in different treatments

      • 随施氮量的增加,土壤pH、Nmin、有效磷和速效钾含量呈下降趋势,土壤全氮含量呈上升趋势。在N0、N45和N135施氮水平下,土壤pH随稻草添加量增加而降低;土壤Nmin和速效钾含量在N0和N45施氮水平下均以RS2处理最高,相对RS0分别增加34.5%、29.5%和23.5%、23.9%;土壤有效磷含量在N0RS0处理下最高,为20.97 mg/kg(表2)。双因素方差分析结果表明,添加稻草及施用氮肥均显著影响土壤pH、全氮、Nmin、有效磷和速效钾含量 (P < 0.05),且两者交互作用对土壤Nmin、有效磷和速效钾含量的影响达到了极显著水平 (P < 0.01;表2)。

        表 2  不同处理下土壤基础肥力性状

        Table 2.  Soil basic properties under different treatments

        处理
        Treatment
        pH全氮 (g/kg)
        Total N
        矿质氮 (mg/kg)
        Nmin
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        N0 RS05.05 ± 0.03 aA1.16 ± 0.01 aB3.34 ± 0.13 bA20.97 ± 0.27 aA142.53 ± 2.03 bA
        RS1 4.97 ± 0.03 ab1.14 ± 0.01 a3.35 ± 0.09 b15.90 ± 0.23 b137.68 ± 1.42 b
        RS24.87 ± 0.03 b1.17 ± 0.01 a4.50 ± 0.12 a19.93 ± 0.58 a175.98 ± 3.23 a
        N45RS04.97 ± 0.04 aAB 1.18 ± 0.01 abA3.13 ± 0.09 bA17.90 ± 0.81 aB129.10 ± 2.81 bB
        RS1 4.92 ± 0.03 ab1.16 ± 0.02 b4.03 ± 0.27 a16.50 ± 0.40 a123.23 ± 2.04 b
        RS24.86 ± 0.03 b1.21 ± 0.01 a4.05 ± 0.09 a16.87 ± 0.70 a159.95 ± 3.29 a
        N90RS04.94 ± 0.03 aB1.19 ± 0.01 aAB3.64 ± 0.10 bA15.70 ± 0.43 bB120.17 ± 2.73 aC
        RS14.84 ± 0.03 a1.14 ± 0.01 b 4.02 ± 0.17 ab 17.08 ± 0.11 ab122.58 ± 4.02 a
        RS24.90 ± 0.05 a1.19 ± 0.01 a4.28 ± 0.35 a17.50 ± 0.25 a113.67 ± 3.97 a
        N135RS04.97 ± 0.04 aB1.19 ± 0.01 aA3.51 ± 0.05 aB14.80 ± 0.29 bC111.52 ± 1.35 aD
        RS14.82 ± 0.04 b1.19 ± 0.02 a2.74 ± 0.11 b 15.90 ± 0.24 ab110.26 ± 1.98 a
        RS24.84 ± 0.02 b1.18 ± 0.01 a3.23 ± 0.11 a16.93 ± 0.60 a110.80 ± 5.33 a
        双因素方差分析Two-ANOVA analysis
        RS12.9*** 6.53**15.38*** 9.74***33.01***
        N 3.39*3.99*13.54***21.64***105.01***
        RS×N1.301.99 6.96***10.87***17.65***
        注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2; N0~N135 代表 N 施用量 0、45、90 和 135 kg/hm2。同列数据后不同小写字母表示稻草处理间差异显著 (n = 4, P < 0.05), 不同大写字母表示每组平均值在氮肥处理间差异显著 (n = 12, P < 0.05)。The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among straw treatments at the same group (n = 4, P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences among the group averages of nitrogen treatments (n = 12, P < 0.05); *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
      • 施用氮肥对土壤MBC含量无显著影响。同一施氮水平下,土壤MBC含量均以RS1处理最高,较RS0分别增加60.8%(N0)、43.6%(N45)、26.2%(N90) 和63.8%(N135)。另外,土壤DOC含量随施氮量的增加呈下降趋势,其中,在N0和N90施氮水平随稻草量增加呈下降趋势,而在N45和N135施氮水平则先下降后上升 (表3)。双因素方差分析结果表明,添加稻草及施用氮肥对土壤DOC含量均有显著影响 (P < 0.05),且两者交互作用均达极显著水平 (P < 0.01,表3)。

        表 3  不同处理下土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量

        Table 3.  Soil DOCand MBC contents under different treatments

        处理Treatment微生物量碳MBC (mg/kg)可溶性有机碳DOC (mg/kg)
        N0 RS0674.43 ± 21.60 bA44.03 ± 1.13 aA
        RS11084.25 ± 82.03 a 35.89 ± 1.74 b
        RS2727.75 ± 72.74 b35.43 ± 0.83 b
        N45RS0642.67 ± 37.15 bA39.24 ± 1.91 aB
        RS1923.07 ± 49.01 a33.10 ± 0.49 b
        RS2869.66 ± 76.27 a 35.99 ± 0.86 ab
        N90RS0744.72 ± 38.29 bA38.10 ± 0.39 aB
        RS1939.62 ± 61.64 a34.43 ± 1.26 b
        RS2 776.16 ± 69.59 ab34.56 ± 0.52 b
        N135RS0726.57 ± 50.51 bA34.21 ± 1.34 aB
        RS11189.73 ± 87.60 a 33.16 ± 0.51 a
        RS2751.64 ± 5.85 b35.84 ± 1.88 a
        双因素方差分析Two-ANOVA analysis
        RS0.6018.27***
        N0.146.48**
        RS×N0.143.77**
        注(Note):处理中 RS0、RS1 和 RS2 表示稻草添加量依次为 0、3000 和 6000 kg/hm2; N0~N135 代表 N 施用量 0、45、90 和 135 kg/hm2。同组同列数值后不同小写字母表示稻草处理间差异显著 (n = 4, P < 0.05); 不同大写字母表示每组平均值在不同氮肥处理间差异显著 (n = 12, P < 0.05)。The rice straw turnover amount in the treatments of RS0, RS1 and RS2 were 0, 3000 and 6000 kg/hm2; The N application rates in treatment N0 to N135 were 0, 45, 90 and 135 kg/hm2. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among straw treatments at the same group (n = 4, P < 0.05), and different capital letters indicate significant differences among the group averages of nitrogen treatments (n = 12, P < 0.05). MBC—Microbial biomass carbon; DOC—Dissolved organic carbon. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
      • 随着施氮水平的提升,6种土壤酶活性大致呈先下降后上升的变化趋势。土壤β-葡萄糖苷酶 (BG) 和乙酰氨基葡萄糖苷酶 (NAG) 活性在N0水平下最高,土壤β-纤维二糖苷酶 (CB)、β-木糖苷酶 (XYL)、磷酸酶 (PHOS) 和亮氨酸氨基肽酶 (LAM) 活性在N135水平下最高。同一施氮水平下,添加稻草均显著提高了以上6种土壤酶活性,其中,在N0、N45、N135施氮水平下,土壤BG、CB、XYL、NAG和PHOS活性随稻草添加量的增加而增加,N90水平下则呈先上升后下降的趋势。另外,各施氮水平下,RS1处理的土壤LAM活性显著高于RS0和RS2处理 (图3)。双因素方差分析结果显示,添加稻草及施用氮肥对上述6种土壤酶活性均有显著影响 (P < 0.05),两者交互作用均达极显著水平 (P < 0.01,图3)。

        图  3  不同处理土壤胞外酶活性

        Figure 3.  Extracellular enzyme activities of soils under different treatments

      • 不同土壤理化性质对紫云英鲜草产量的相对影响程度从高到低依次为AK > AP > pH > TN > Nmin > MBC > DOC,AK的贡献率达52.6%。不同土壤酶活性对紫云英鲜草产量的相对影响程度从高到低依次为NAG > PHOS > CB > XYL > LAM > BG,NAG的贡献率是30.0%(图4)。

        图  4  不同土壤理化性质对紫云英鲜草产量的贡献率

        Figure 4.  Contribution rate of different soil physical properties on Chinese milk vetch fresh biomass

      • 偏最小二乘法路径模型 (PLS-PM) 结果显示,稻草处理对土壤酶活性和速效养分含量有显著正影响,其中对土壤酶活性的影响更大,对土壤DOC含量有显著负影响;氮肥处理对土壤酶活性有较显著正影响,对土壤DOC和速效养分含量有显著负影响,其中对土壤速效养分含量的影响更大;土壤MBC和速效养分含量对紫云英地上部氮、磷、钾累积量有显著负影响 (图5-i)。添加稻草和施氮对紫云英地上部氮、磷、钾累积量和鲜草产量均有显著正影响,且施氮量对两者的影响程度更大 (图5-ii)。据因子载荷评分结果显示,AK、Shoot K和CB的评分值最高,可分别作为土壤速效养分、紫云英地上部氮、磷、钾累积量及土壤酶活性的有力指标 (图5-iiiivv)。

        图  5  土壤理化性质与紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量的相互作用

        Figure 5.  Interactions between soil properties and Chinese milk vetch fresh biomass and shoot nitrogen, phosphorus, potassium accumulations

      • 有机物料添加可促进作物生长,提高生物量和养分累积量,且配施化肥增产幅度大于有机物料单独施用[19,29-30]。本研究结果表明,在添加稻草条件下施用氮肥显著提高紫云英鲜草产量,这与杨璐等 [20]的研究结果相符。单独添加稻草的情况下,增加稻草添加量反而降低了紫云英鲜草产量,可能是因为稻草碳氮比较高,还田之后易出现土壤微生物与作物争氮的现象,进而影响作物对氮素的吸收利用和生长[17,31],因此在稻草还田中合理调控氮肥用量,可以通过调节还田物料碳氮比促进稻草腐解和作物吸氮。研究表明,添加矿质氮可调控水稻秸秆的腐解过程,显著提高稻草分解速率[16,32],有效缓解微生物对土壤有效氮的竞争,从而保证作物的氮素供应[33]。因此,在适量氮肥调控下,紫云英鲜草产量随稻草添加量的增加呈上升趋势,说明稻草还田下合理的氮肥调控是有效利用稻草和实现紫云英高产的重要措施。氮素回收率能从侧面反映作物对添加物料氮的利用率[34],在本研究中可用于评价不同碳氮施肥配比下紫云英对稻草和化肥氮的利用程度。在高量氮肥条件下,稻草添加对紫云英地上部氮素回收率影响不大,而施氮量为45和90 kg/hm2条件下,适量的稻草添加可提高氮素回收率。此外,曾庆利等[35]研究发现,紫云英翻压能增加水稻的千粒重、实粒数及有效穗等产量构成因素,且在同一化肥减量水平下,水稻产量和经济效益随紫云英翻压量的增加呈上升趋势。在紫云英-稻草轮作系统中,在紫云英生长季稻草全量还田下配施适量氮肥,能够更高效的利用氮肥并实现稻草高效利用及紫云英高产。

        稻草配施氮肥对紫云英鲜草产量影响的途径有很多。有研究认为,秸秆配施氮肥能有效提高土壤全氮含量,增加土壤速效氮磷钾的生物有效性,提高氮肥利用率,为作物养分供应提供保证[36-39]。本研究中,土壤速效钾含量对紫云英鲜草产量的贡献率最大,验证了速效养分含量在紫云英生长中的作用。添加稻草有利于改善土壤钾素营养,稻草含钾量高,且其中的钾主要以离子态存在,易溶于水,释放较快,相比其他土壤养分,在提高土壤速效钾含量、紫云英钾素吸收和产量上发挥了重要的作用[40]。同时,本研究结果表现为施氮在提高紫云英地上部钾素累积量的同时,显著降低土壤速效钾含量,可能是因为适量氮肥添加极大地促进了紫云英对土壤养分的吸收,在利用稻草分解的养分之外还会进一步吸收土壤本底养分,说明秸秆还田条件下增施适量氮肥可作为促进稻草分解的重要手段。土壤微生物参与土壤有机质的分解和养分循环的调控,是土壤生物化学特征的重要指标,其生物量的多少反映着土壤肥力的高低[41-42]。王军等 [43]研究表明,土壤微生物量碳含量随外源添加物料碳氮比的增加先上升后下降,与本研究结果相似,可能是因为RS1条件下的土壤碳氮比更适宜微生物利用,而RS2处理的碳氮比投入过高,一定程度上抑制了微生物的活性。本研究中,添加稻草可显著提高紫云英养分累积量和土壤速效养分含量,施氮对紫云英地上部氮磷钾养分累积量亦有显著正影响,但对土壤速效养分含量呈显著负效应 (图5),说明了稻草和氮肥处理对土壤性状有不同影响,且两者间存在较强的交互作用。氮肥处理相比稻草处理对紫云英鲜草产量和养分累积量的影响更大,这可能与本研究所用土壤基础肥力较弱和稻草分解规律有关,说明低肥力土壤中适量施入氮肥能更好地促进紫云英的生长和产量的形成[20]。在生产实践中,应综合考虑土壤基础肥力特征和作物需求,以寻求最合适的氮肥用量。

        土壤酶作为反映土壤肥力水平的重要指标,在土壤养分循环中有关键性的作用[44-46],秸秆向土壤提供的有机碳源能促进土壤微生物的繁殖,增加土壤酶活性,从而促进其腐解,释放养分。有研究表明,秸秆配施氮肥能显著增加土壤酶活性[44.47-48],本研究也取得了相似的结果 (图5中结果显示,添加稻草和施氮对土壤酶活性有显著正影响)。乙酰氨基葡萄糖苷酶是一种参与氮循环的水解酶,主要降解土壤中的几丁质、肽聚糖和甲壳素[49],本研究中该酶对紫云英鲜草产量的影响最大,可能是因为该酶参与的氮循环对土壤养分影响较大,进而影响了紫云英的鲜草产量。本研究中土壤β-葡萄糖苷酶、β-纤维二苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶活性的变化规律相似,在N0、N45、N135施氮水平下,均为高量秸秆添加条件下活性较高,这可能与不同稻草添加量处理的土壤有机质含量相关,有研究发现,高量秸秆还田不仅可以增加土壤有机碳含量,还可提高土壤酶活性[50],且大部分参与碳、氮、磷素循环的土壤酶活性与土壤有机质含量呈显著正相关[51-53]。有机氮分解酶亮氨酸氨基肽酶作为一种蛋白酶,可以水解为肽,最终形成氨基酸,促进土壤氮素循环[54],本研究中RS2处理抑制了亮氨酸氨基肽酶的活性。土壤有机质与蛋白酶的活性呈显著正相关,但低碳氮比可以增加氮相关酶活性[55-57],说明高稻草添加量下土壤亮氨酸氨基肽酶活性降低可能是由该处理较高的土壤碳氮比引起的。综上,土壤有机质含量和碳氮比是影响土壤酶活性的主导因子,不同的稻草和氮肥配比,通过调节投入物料的碳氮比调控土壤酶活性,进而影响土壤肥力及紫云英生长。本研究通过对紫云英生长和土壤性状的分析得出稻草与氮肥的最优配比,为深入开展机制研究奠定了一定基础。盆栽试验虽然能够在控制条件下减少其他因素的干扰,更好的体现处理间的区别,但作物生长条件与田间实际仍有较大差异。因此,以后的研究在进一步加强对紫云英固氮量及其调控机制研究的同时,将同时开展不同条件下的田间验证试验,以更好的指导生产实践。

      • 添加稻草和施用氮肥均显著增加紫云英鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量,两者配施后的增产效果更显著,相对稻草处理,氮肥处理对紫云英鲜草产量和养分累积量有更强的正效应。秸秆和氮肥配施显著提高土壤酶 (β-葡萄糖苷酶、β-纤维二苷酶、β-木糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶) 活性,且两者交互作用显著;土壤速效钾含量和土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性对紫云英鲜草产量影响较大;添加稻草可显著提高紫云英养分累积量和土壤速效养分含量,施氮对紫云英地上部氮磷钾养分累积量亦有显著正影响。在本研究条件下,综合实际生产和紫云英生长特征,推荐稻草6000 kg/hm2、氮肥45~90 kg/hm2为较适宜的施肥配比,具体施氮量可根据当地土壤肥力调整。本研究结果基于控制条件下的盆栽试验,对田间生产具有一定参考价值,但仍需通过不同条件下的田间试验进一步验证。

    参考文献 (57)
    WeChat 关注分享

    返回顶部

    目录

      /

      返回文章
      返回